Автоматизация проектирования средств и систем управления. Физико-тех

Рис. 2.18. Стадии гидравлического удара

Работа деформации полностью переходит в кинетическую энергию, и жидкость в трубе приобретает первоначальную скорость v0, но направленную теперь в противоположную теперь сторону.

С этой скоростью весь объем жидкости стремится оторваться от крана, в результате возникает отрицательная ударная волна под давлением P0 – Póä, которая направляется от крана к резервуару со скоростью c, оставляя за собой сжавшиеся стенки трубы и расширившуюся жидкость, что обусловлено снижением давления (рис. 2.18, ä). Кинетическая энергия жидкости вновь переходит в работу деформаций, но противоположного знака.

51

Состояние трубы в момент прихода отрицательной ударной волны к резервуару показано на рис. 2.18, å. Так же как и для случая, изображенного на рис. 2.18, á, оно не является равновесным.

Íà ðèñ. 2.18, æ показан процесс выравнивания давления в трубе и резервуаре, сопровождающийся возникновением движения жидкости со скоростью v0.

Очевидно, что как только отраженная от резервуара ударная волна под давлением Póä достигнет крана, возникнет ситуация, уже имевшая место в момент закрытия крана. Весь цикл гидравлического удара повторится.

Математическое описание

D p (v0 v1 )c,

ãäå Dp — увеличение давления, Н/м2;— плотность жидкости, кг/м3;

v0 è v1 — средние скорости в трубопроводе до и после закрытия задвижки (срабатывания клапана), м/с;

ñ— скорость распространения ударной волны вдоль трубопровода, м/с.

Применение

À.с. 269045. Способ повышения динамической устойчивости энергосистемы при аварии на линии электропередач путем снижения мощности гидротурбины отличается тем, что с целью уменьшения напора перед гидротурбиной создают отрицательный гидравлический удар путем отвода части потока, например в резервуаре.

À.с. 348806. Способ размерной электрохимической обработки с регулированием рабочего зазора путем периодического соприкосновения электродов с последующим отводом электрода — инструмента на заданную величину отличается тем, что для отвода электрода — инструмента используют силу гидравлического удара, возникающего в электролите, подаваемого в рабочий зазор.

Волну сжатия в жидкости можно вызвать также мощным импульсным электрическим разрядом между электродами, помещенными в жидкость (электрогидравлический эффект Уткина). Чем круче фронт электрического импульса, чем менее сжата жидкость, тем выше давление

52

âударе и тем мощнее электрогидравлический удар. Электрогидравличе- ский удар применяется при холодной обработке металлов, разрушении горных пород, деэмульсации жидкостей, интенсификации химических реакции и т. д.

Пат. S356W7 США. Формирование пластичных тел при помощи гидравлического удара высокой энергии. Патентуется гидродинамиче- ская система, в которой столб жидкости, находящийся в баке гидропушки, направляется на заготовку. Для проведения жидкости в движение

âуказанном столбе жидкости производят электрический разряд, в результате чего генерируется направленная на заготовку волна, которая

âсочетании с собственным высоким давлением жидкости осуществляет деформацию заготовки.

ÂСША эффект Уткина применяют для очистки электродов от налипшего на них при электролизе металла. В Польше — для очистки стальных колец турбогенераторов. При этом стоимость операции, как правило, снижается.

A. c. 117562. Способ получения коллоидов металлов за счет электрогидравлического удара между микрочастицами материала. Ударная волна, возникающая в воде при быстром испарении металла стержней электрическим током, вполне пригодна для разрушения валунов и других крепких материалов, для разбивки бетонных фундаментов, зачистки скальных оснований гидротехнических сооружений и других работ, связанных с разрушением.

Ниже приведены примеры способов получения или усиления электрогидравлического удара.

Âяпонском патенте 13120 (1965) описан способ формовки ртут- но-серебряными электродами. При применении таких электродов сила ударной волны в воде возрастает, так как к давлению плотной плазмы, образующейся в канале разряда, прибавляется давление паров ртути. Применение этого способа позволяет заметно уменьшить емкость конденсаторной батареи.

А. с. 119074. Устройство для получения сверхвысоких гидравличе- ских давлений, предназначенное для осуществления способа, выполненное в виде цилиндрической камеры, сообщенной одним концом с трубопроводом, подающим жидкость с ресивером, отличается тем, что с целью создания электрогидравлических степеней применены искровые промежутки, располагаемые по длине камеры на определенном расстоянии друг от друга.

53

А. с. 129945. Способ получения высоких и сверхвысоких давлений для создания электрогидравлических ударов отличается тем, что высокие и сверхвысокие давления в жидкости получают путем испарения

âней действием импульсного разряда токопроводящих элементов в виде проволоки, ленты или трубки, замыкающих электроды.

Советские физики А. М. Прохоров, Г. А. Аскарьян, Г. П. Шапиро установили, что мощные гидравлические удары можно получить, используя луч квантового генератора. Если луч мощного квантового генератора пропустить через жидкость, то вся энергия луча поглотится

âжидкости, приведя к образованию ударных волн с давлением, доходящим до миллиона атмосфер. Это открытие находит, кроме обычных областей применения гидравлических ударов, очень широкое применение в микроэлектронике, для условий особо чистых поверхностей, для обработки таких материалов и изделий, которые исключают применение электродов и т. д. Используя светогидравлический эффект, можно издалека, дистанционно, возбуждать в жидкости гидравлические импульсы с помощью луча света.

2.4.6. Кавитация

Входы: íåò. Выходы: ñèëà.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.19.

Сущность

Кавитация — образование в жидкости по-

лостей (кавитационных пузырьков, или ка-

верн), заполненных газом, паром или их смесью. Кавитация возникает в результате местного понижения давления в жидкости, которое может происходить либо при увеличении ее скорости (гидродинамическая кавитация), либо

при прохождении акустической волны большой интенсивности во время полупериода разрежения (акустическая кавитация), существуют и другие причины возникновения эффекта. Перемещаясь с потоком в область с более высоким давлением или во время полупериода сжатия, кавитационный пузырек захлопывается, излучая при этом ударную волну. Кавитация разрушает поверхность гребных винтов, гидротурбин, акустиче- ских излучателей и др.

54

Математическое описание

«Число кавитации», количественная характеристика кавитации

X2 p pí ,

2

ãäå ð — гидростатическое давление набегающего потока; ðí — давление насыщенного пара;

— плотность жидкости;

— скорость жидкости на достаточном отдалении от тела.

Применение

À.с. 443663. Способ приготовления грубых кормов, включающий

âсебя обработку их раствором щелочи, отличается тем, что с целью размягчения и ускорения влагонасыщения корма обработку его осуществляют в кавитационном режиме.

2.5. Колебания и волны

Колебаниями называют процессы, точно или приблизительно повторяющиеся через одинаковые промежутки времени. По своему характеру колебания подразделяют на свободные (собственные) и вынужденные.

Свободные колебания — колебания в механической, электрической или какой-либо другой системе, совершающиеся при отсутствии внешнего воздействия за счет первоначально накопленной энергии. Для возбуждения собственных колебаний требуется определенное количество энергии. Частота собственных колебаний определяется целиком свойствами самой системы.

Вынужденные колебания совершаются под действием внешней периодической (или почти периодической) силы, например: колебания мембраны микрофона, барабанной перепонки уха, ударного элемента отбойных молотков, пластины магнитострикционного преобразователя ультразвуковых агрегатов. Частота вынужденных колебаний равна частоте вынуждающей силы, а амплитуда колебаний зависит от свойств системы.

Автоколебания — незатухающие колебания, которые осуществляются в неконсервативной системе при отсутствии переменного внешнего воздействия (за счет внутреннего источника энергии), причем амплитуда

55

и период этих колебаний определяются свойствами самой системы. Классический пример автоколебательной системы — маятниковые часы. Как правило, автоколебательные системы склонны к самовозбуждению.

Одними из самых интересных в этой области являются ультразвуковые эффекты и голография.

Ультразвук — продольные колебания в газах, жидкостях и твердых телах в диапазоне частоты 20·103 Ãö.

Применение ультразвука связано в основном с двумя его характерными особенностями: лучевым распространением и большой плотностью энергии.

Из-за малой длины волны распространение ультразвуковых волн сопровождается эффектами: отражением, фокусировкой, образованием теней (ультразвуковая дефектоскопия).

Большая частота ультразвука позволяет сравнительно легко создавать ультразвуковые пучки с большой плотностью энергии, распространение которых в жидких и твердых телах сопровождается рядом эффектов, часто приводящих к необратимым явлениям. Эти эффекты — радиационное давление (избыточное давление, испытываемое препятствием вследствие воздействия на него ультразвуковой волны и определяемое импульсом, передаваемым волной в единицу времени единице поверхности препятствия), акустическая кавитация и акустические потоки, носящие вихревой характер и возникающие в свободном неоднородном поле и вблизи препятствий, находящихся в ультразвуковом поле.

Воздействие ультразвука на процесс пластической деформации обусловлено влиянием его на контактные условия, свойства и структуру деформируемого металла. В этом случае возможны два нелинейных эффекта: «акустическое разупрочнение» и «акустическое упрочнение». Первый наблюдается в процессе воздействия интенсивным ультразвуком и заключается в уменьшении статического напряжения, необходимого для осуществления пластической деформации. Акустическое упро- чнение металлов достигается после воздействия ультразвуковых волн достаточно высокой интенсивности.

Акустическое разупрочнение является результатом активации дислокаций, происходящей в результате поглощения акустической энергии в местах дефектов кристаллической решетки и других структурных несовершенств. Благодаря этому за малое время происходит локальный нагрев вокруг этих источников поглощения, снятие напряжений, разблоки-

56

ровка дислокаций, увеличение их подвижности, что обеспечивает более интенсивный ход пластической деформации.

Если валики прокатного стана колебать в направлении, параллельном осям их вращения с ультразвуковой частотой, то усилие деформации снижается в 1,5–2 раза, а степень деформации увеличивается на 20–50 %, причем контактное трение резко снижается.

При достижении определенного уровня акустической энергии, зависящего от свойства облучаемого металла, последний может пластически деформироваться при комнатной температуре без приложения внешней нагрузки.

Под действием ультразвука изменяются основные физико-химиче- ские свойства расплавов: вязкость, поверхностное натяжение на границе расплав — форма или расплав — твердая фаза, температура и диффузия.

Вязкость после ультразвуковой обработки расплава уменьшается на 10–50 %, причем характер изменения вязкости не позволяет считать, что уменьшение вязкости вызывается только тепловым воздействием ультразвука, поскольку наряду с тепловым воздействием наблюдаются

èдругие эффекты, например изменение трения между твердыми нерастворимыми примесями, находящимися в расплаве.

Воздействие ультразвука на расплав в процессе кристаллизации уменьшает поверхностное натяжение между расплавом и кристаллом при двухфазном состоянии, за счет чего уменьшается переохлаждение расплавов и увеличивается количество кристаллических зародышей, а структура расплава получается более мелкозернистой.

Ультразвуковая обработка металлов в жидком состоянии и во время кристаллизации приводит к изменению характера температурного поля. Возникновение акустических потоков в расплаве под действием ультразвука связано с потерей энергии в расплаве. Эти потери зависят от интенсивности ультразвука и акустических свойств среды. Акустические потоки вызывают интенсивное перемешивание расплава, выравнивание температуры и интенсификацию конвективной диффузии. При выравнивании температуры расплава увеличивается теплообмен со стенками

èокружающей средой, в результате чего увеличивается скорость охлаждения. Физическая сущность влияния ультразвука на теплообмен при естественной или вынужденной конвекции заключается в проникновении акустических потоков в пограничный и ламинарный подслой, что приво-

57

дит к деформации этих слоев, их турбулизации и перемешиванию. В результате этого в несколько раз увеличивается коэффициент теплопереда- чи и скорость теплообмена.

Ультразвук ускоряет диффузионные процессы в металлических расплавах и на границе с твердой фазой. В этом случае под действием ультразвука происходит более легкое перемещение атомов из одного устой- чивого состояния в другое благодаря образованию кавитационных пузырьков. При этом необходимо учитывать влияние вторичных эффектов акустических потоков: повышение температуры, акустического давления, вызывающих турбулентное перемещение и разрушение погранич- ного слоя между жидкой и твердой фазой при ускорении диффузии на границе жидкость — твердое тело.

Под действием ультразвука растворенный газ сначала выделяется в виде пузырьков в зонах разрежения ультразвуковых волн, после этого пузырьки соединяются и при достижении достаточно большого размера всплывают на поверхность (дегазационный эффект). Эффект можно объяснить следующим образом. При воздействии ультразвука в расплаве возникает кавитация: в образованные кавитационные пустоты проникает растворенный газ. При захлопывании кавитационных пузырей этот газ не успевает снова раствориться в металле и образует газовые пузырьки. Зародыши газовых пузырьков образуются и в полупериод разрежения при распространении упругих ультразвуковых колебаний в расплаве, так как при уменьшении давления растворимость газов уменьшается. После этого газовые пузырьки под влиянием движений коагулируют и, достигая определенных размеров, всплывают. Ускорение диффузии под действием ультразвука тоже может способствовать нарастанию газовых пузырьков.

Ультразвуковой капиллярный эффект заключается в том, что при помещении в жидкость капилляра, смачиваемого жидкостью, в нем под действием сил поверхностного натяжения происходит подъем жидкости на некоторую высоту. Если жидкость в капилляре совершает колебания под влиянием источника ультразвука, то капиллярный эффект резко возрастает, высота столба жидкости увеличивается в несколько десятков раз, значительно возрастает и скорость подъема.

Экспериментально доказано, что в этом случае жидкость толкает вверх не радиационное давление и капиллярные силы, а стоячие ультразвуковые волны. Ультразвук снова и снова как бы сжимает столб жидко-

58

сти и поднимает его вверх. Открытый эффект уже очень широко используется в промышленности, например при пропитке изоляционными составами обмоток электродвигателей, окраске тканей, в тепловых трубах и т. п.

Трудно перечислить все эффекты, возникающие в результате воздействия ультразвука на вещество, поэтому кратко перечислим основные области применения ультразвука.

Твердые вещества:

–размерная обработка сверхтвердых и хрупких материалов (сверление отверстий сложной формы, шлифование, полирование, наклеп, волочение проволоки, прокатка фольги и т. д.);

–лужение и паяние металлов, керамики, стекла и т. п.;

–сварка металлов и полимеров.

Жидкости (кавитирующие):

–очистка деталей от жировых и других загрязнений;

–диспергирование твердых порошкообразных материалов в жидкостях, эмульгирование несмешивающихся жидкостей;

–получение аэрозолей;

–полимеризация или деструкция высокомолекулярных соединений, ускорение массообразных и химических процессов;

–разрушение биологических объектов (микроорганизмов).

Ãàçû:

–сушка сыпучих, пористых и других материалов;

–очистка газов от твердых частиц и аэрозолей.

Голография. Когда в некоторой области пространства складываются несколько электромагнитных волн, частоты которых с очень высокой степенью точности совпадают, возникает стоячая электромагнитная волна. Когда записывают голограмму, в определенной области пространства складывают две волны: одна из них идет непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В области стоячей электромагнитной волны размещают фотопластинку (или иной регистрирующий материал), в результате на этой пластинке возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине интерференции) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует эту волну в волну, близкую к объектной. Таким образом, мы будем видеть (с той или иной степенью точности) такой же свет, какой отражался бы от объекта записи.

59

2.5.1. Резонанс

Входы: частота.

Выходы: амплитуда колебаний.

Графическая иллюстрация приведена на рис. 2.20.

Сущность

Резонанс — частотно-избирательный отклик колебательной системы на периодическое внешнее воздействие, при котором происходит резкое возрастание амплитуды колебаний. Наблюдается при приближении частоты внешнего воздействия к определенным, характерным для данной системы значениям. В линейных колебательных системах число таких резонансных частот соответствует числу степеней свободы и они совпадают с частотами собственных колебаний. Резонанс может проявляться и как отклик на внешнее силовое воздействие (рис. 2.20, à), и как реакция на периодическое изменение параметров (рис. 2.20, á).

Математическое описание

Условие резонанса в колебательном контуре:

L 1 ,C

2 f ,

ãäå f — резонансная частота, Гц; L — индуктивность, Гн;

Рис. 2.20. Колебательные системы с одной степенью свободы: à — последовательный колебательный контур; á — математический маятник

60